黑柱石和水之间氢同位素平衡分馏的实验研究

在750-250℃温度范围内,对黑柱石-水之间的氢同位素平衡分馏进行了实验研究。研究中改进了氢同位素交换实验方法,从而保证了精度。研究结果表明,750-550℃温度范围内,黑柱石一水的分馏系数10~3lnα°_(黑柱石-水)=-30.51 10~6/T^2-59.86,550-350℃温度范围内,10~3lnα°_(黑柱石-水)与温度1/T^2间无依赖关系,其值为-105.0±0.7,.250℃时,交换率太低。文中讨论了黑柱石-水之间氢同位素分馏系数与温度、矿物晶体结构、矿物化学组成的关系及其地质意义。

土壤中有机质镉的同位素组成特征:来自第一性原理计算的约束

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法来精确量化有机质表面配合物(OSCs)和金属-有机框架(MOFs)形成过程中产生的镉(Cd)同位素平衡分馏。计算结果表明,25℃下OSCs和水溶液之间的Cd同位素平衡分馏较小且无明显的选择性,Δ114/110 Cd_(OSCs-Cd(aq))=-0.34‰~0.02‰。相反,Cd^(2+)一旦从OSCs转换为MOFs时,Cd同位素将产生极大的分馏,Δ114/110 Cd_(MOFs-Cd(aq))=-1.92‰~-0.29‰。此外,Cd的第一配位层中出现的N和S原子越多,MOFs与水溶液之间的Cd同位素平衡分馏越大。计算结果范围覆盖了实验测定的表层土壤Cd同位素分馏,表明土壤有机质中Cd的不同赋存状态控制着其同位素组成。最后,这些分馏数据丰富了Cd同位素数据库,便于学者们定量地使用Cd同位素手段来限定Cd的迁移转化过程。

稳定同位素分馏蒸汽压效应的计算方法

稳定同位素分馏的蒸汽压效应(vapor pressure isotope effects,简称VPIE),在地球化学和天体化学上有着非常重要的研究意义。大部分情况下,由于轻重同位素体具有不同的蒸汽压,在经历挥发和蒸发过程时,含有重同位素的物种挥发得慢,轻同位素物种挥发得快,最终结果导致凝聚相富集重同位素,气相含有较多的轻同位素。在地球化学上,VPIE直接同非常重要的地学参数——同位素平衡分馏系数α联系在一起。本文应用Bigeleisen提出的方法,直接将VPIE和约化配分函数比(RPFR)相联系,只需要通过理论计算获得两种物质的简谐振动频率,就能够得到非高压情况下该物质的VPIE。本文以水和硫镉矿(CdS)为例,详细介绍了如何计算蒸发和气化过程VPIE的方法,并指出了其在天体化学和矿床学中的一些潜在应用。

硼同位素分馏的实验理论认识和矿床地球化学研究进展

硼是一种中等挥发性元素,具有^11B和^10B两个稳定同位素。两个同位素间高达10%的相对质量差使其在地质过程中引起高达-70‰至+75‰的硼同位素变化。硼在自然界主要与氧键合形成三配位(BO3)和四配位(BO4)结构,因而^11B和^10B间同位素分馏主要受控于三配体(BO3)和四面体(BO4)间配分。本文综述了低温和高温地质过程的硼同位素分馏的理论和实验研究进展。在溶液中B(OH)3和B(OH)^-4间硼同位素分馏受pH和热力学p-T条件控制,实验和理论表征获得常温常压条件下的B(OH)3和B(OH)^-4间同位素分馏系数α3-4变化范围为1.019 4至1.033 3。低温条件下矿物(如碳酸盐、黏土矿物(蒙脱石和伊利石)、针铁矿、水锰矿、硼酸盐)与溶液间硼同位素分馏行为除了受p-T-pH影响外,矿物表面吸附引起的分馏效应十分显著。在中高温过程(蒙脱石伊利石化、富硼电气石和白云母矿物与热液流体,以及硅酸盐熔体与流体)中硼同位素分馏行为受到硼配位构型、化学成分以及物理化学条件的控制。随着硼同位素分馏机理研究的深入以及越来越完善的地质储库硼同位素端员特征表征,硼同位素地球化学指标可以灵敏示踪成矿物质来源、探究成矿作用与成因模式和重建成矿过程物理化学条件。目前矿床硼同位素地球化学研究的难点在于实现不同赋存相(如流体、矿物和熔体)中硼配位键合结构和硼同位素组成的精细化表征。

中国季风区石笋氧同位素气候指示意义:主要争议与几个重要问题

对近些年来国内外广泛争议的话题——中国季风区岩溶洞穴沉积氧同位素组成(δ^(18)O)的气候指示意义进行了梳理,简要介绍了有关争议各方的主要观点。同时针对中国季风区洞穴沉积δ^(18)O的研究提出了几个重要问题:同位素平衡分馏的检验问题、洞穴沉积δ^(18)O记录的相似性(重复性)与差异性,以及洞穴通风可能对洞穴沉积δ^(18)O记录的影响等。这些问题涉及到洞穴沉积δ^(18)O记录与气候指标之间的联系机制,对其探讨可能有助于解决有关争议。因此,建议在今后的研究中应该重点关注这些问题,因为洞穴沉积δ^(18)O与气候环境指标之间的联系机制是中国季风区内应用洞穴沉积δ^(18)O进行古气候古环境研究的基础。

稳定氯同位素地球化学研究进展

地球卤素元素含量相对稀少,相对而言氯为最常见的卤素元素。氯是一种挥发性元素,具有强烈的亲水性。自然界氯两个稳定同位素^35Cl和^37Cl,其相对丰度分别为75.76%和24.24%。文章综述了氯在各个地质储库的特征、稳定氯同位素分馏的控制因素以及氯同位素的地质应用三大方面的研究进展。地球主要储库中蒸发岩、海水、岩浆岩、沉积物、变质岩、地幔的氯同位素组成分别为-0.5‰^+0.8‰、0.00±0.05‰、-1.12‰^+0.79‰、-3.0‰^+2.0‰、-3.6‰~0、-1.9‰^+7.2‰。地外(月球、火星及其他小行星4-Vesta)氯同位素组成变化范围分别为-4‰^+81.1‰、-5.6‰^+8.6‰、-3.8‰^+7.7‰。相对地球上氯同位素δ^37Cl的变化范围(-14‰^+16‰),月球和火星δ^37Cl的变化范围可达-5.6‰^+81‰,表明挥发分氯在地内和地外迁移循环过程中有显著不同同位素分馏主控机制。已经探明氯同位素分馏受控于物理过程(如扩散、离子过滤、沉淀溶解作用、火山作用)和化学作用(如水岩作用、变质作用,尤其是蛇纹石化作用)等。扩散作用、淋滤作用和火山作用富集重同位素,沉淀作用结晶盐δ^37Cl先减小后上升,而蛇纹石化过程中多种因素共同影响。与其他指标结合,氯同位素地球化学可用于有效指示钾盐矿床远景区,评估示踪地下水的来源和演化路径、示踪污染物源区和量化生物修复、探究矿化流体来源、指示行星演化岩浆海洋脱气等过程。

用分子簇模型计算矿物的稳定同位素分馏的一个问题

簇合物模型(Cluster Model)已经被广泛地用来模拟矿物的局域结构和物理化学性质。但是,在计算矿物稳定同位素平衡分馏时,是否忽略平动和转动能还存在分歧。本文通过理论推导和对实际体系的计算研究了这一问题,详细评估了平动和转动能在配分函数之比中的贡献,给出了可以忽略的条件,说明在一般情况下,应用分子簇方法研究矿物的同位素分馏时,不应该忽略平动和转动能的贡献。

高温地质过程钙稳定同位素的分馏及应用

钙元素广布于地球各圈层,由于其具有流体活动性,因此在许多地质过程中都扮演着重要的角色。随着多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICP-MS)以及热电离质谱仪(TIMS)同位素分析技术的进步,近十年来钙同位素高温地球化学示踪技术发展迅速,取得了一系列研究成果,包括:厘定了陨石、月球、火星和地球的钙同位素组成;制约了主要富钙矿物间的平衡分馏系数;探讨了多种高温过程中钙同位素的分馏机理及控制因素。目前的研究显示,稳定钙同位素地质示踪剂有望广泛应用于研究行星物质起源、地幔演化、壳幔物质循环等重要地球科学问题。本文对这些成果进行了归纳总结。